機器必須變得更為智能，才能響應(yīng)今天快速變化的市場，自動化、信息化與智能化的推進并非是斷代史，而是一個不斷融合的過程，賦予機器智能。
機器智能的本質(zhì)是什么？
機器，在制造業(yè)的歷史上一直扮演著核心角色，從蒸汽機時代的機械調(diào)節(jié)方式，經(jīng)歷繼電器邏輯、PLC到今天廣泛探討的智能化，它經(jīng)歷了百年的發(fā)展，不斷進步，其原動力來自于消費者對產(chǎn)品的不斷嚴苛的質(zhì)量、成本與交付能力的需求。
機器的智能，簡而言之，人希望機器能夠代替人工作，也就希望它能夠像人一樣的思考，而觀察人的思維模式，主要是兩種，即演繹法和歸納法，演繹法更像我們普遍采用的機理建模，采用物理化學原理構(gòu)建的數(shù)學模型，而歸納法則更接近于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模，包括今天的機器學習，深度學習。
這種智能最終以“工業(yè)軟件”的形式被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造中，無論是機械、電子與電氣控制、材料工藝與流程、操作與運營的知識，以開放的架構(gòu)或嵌入式方式被應(yīng)用。
圖1-工業(yè)軟件的形成過程
圖1顯示了工業(yè)軟件的形成過程，首先要將各種知識通過數(shù)學建模，這種建模包括了機理和數(shù)據(jù)兩種不同的方式，數(shù)學是連接物理與數(shù)字世界的橋梁，然后還需要經(jīng)過大量的工程（Engineering）的測試與驗證、系列化過程，才能形成最終可復(fù)用的軟件，這也是今天我們探討“工業(yè)軟件”的過程，同樣是智能發(fā)展的基本范式。
圖2-諾伯特.維納博士《控制論-動物和機器的通信與控制》（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
自動化、信息化與智能化并非是一個斷代史發(fā)展的模式，它是一種跨界技術(shù)的不斷融合，用于解決制造業(yè)各種問題的工程化過程，1956年的達特茅斯會議定義了“AI”這個詞被認為是AI的發(fā)端，但是，人們似乎忘記了，諾伯特.維納博士的《控制論》本身所奠定的控制科學與工程方向（如圖2），本身是人工智能行為主義三大學派之一，自動化一直在致力于發(fā)展通過跨界的技術(shù)融合來解決制造業(yè)的各種難題，它的對象是變化的機械與材料，而采用的方法來自于感測技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、人工智能、通信技術(shù)，本身，人們問自動化有什么Know-How，自動化作為一個工程領(lǐng)域，它本身就是利用跨界技術(shù)解決復(fù)雜工程問題，技術(shù)的融合以及廣泛采用的障礙主要是經(jīng)濟性，并非人工智能過去沒有出現(xiàn)在制造業(yè)，只是因為今天IC技術(shù)使得芯片算力變得經(jīng)濟。
機器智能主線-應(yīng)對變化的能力
不變的是變化，干擾、不確定性一直在我們的世界，宏觀到商業(yè)競爭、消費者需求、社會文化都會對制造業(yè)產(chǎn)生影響，而微觀到材料、機械、流程都對生產(chǎn)帶來影響。
賦予機器智能就是要讓機器在變化的環(huán)境下獲得更為穩(wěn)態(tài)的生產(chǎn)，高品質(zhì)低成本，快速交付，因此，智能就是要應(yīng)對無所不在的變化，通過各種建模形成一個盡量“以不變應(yīng)萬變”的結(jié)構(gòu)。
下面，從智能的工程開發(fā)各個環(huán)節(jié)，我們來看如何讓機器更為智能？
機器智能與建模仿真
需求總是在變化，材料也在變化，那么是否需要為每個生產(chǎn)“專機”呢？顯然，最好的方式是生產(chǎn)一個多種變化能夠適應(yīng)的機器。建模仿真（Modeling & Simulation），可以幫我們實現(xiàn)這樣的目標。
圖3-建模仿真的意義
通過建模仿真，可以將不同材料、在不同加工工藝、不同流程下進行仿真，并形成控制模型，下載到控制器去執(zhí)行，這樣，就可以讓機器擁有“演繹法”基礎(chǔ)的智能，應(yīng)對變化的生產(chǎn)制造，如圖3描述了建模仿真的價值與意義。
圖4-例：在注塑機的傳動設(shè)計中的應(yīng)用
如圖4，為在MapleSim中的注塑機開發(fā)，通過對注塑機的開合模傳動機械機構(gòu)的CAD圖紙導(dǎo)入，MapleSim這樣的軟件，可以對其傳動進行仿真，以獲得在不同的模具負載下的傳動最佳控制參數(shù)，這些參數(shù)可以通過FMU/FMI接口與貝加萊的Automation Studio控制系統(tǒng)開發(fā)平臺進行接口，實現(xiàn)機電協(xié)同仿真，并為驅(qū)動系統(tǒng)的提供最佳的參數(shù)，以及對整個機器控制的策略進行最優(yōu)調(diào)整。
在虛擬的環(huán)境中，可以實現(xiàn)最靈活的調(diào)整，降低物理測試驗證的成本，而對于控制系統(tǒng)開發(fā)而言，可以通過這種方式封裝可復(fù)用的軟件APP，用于機器控制。
機器智能與運動控制
運動控制從早期的變頻傳動大幅提高能效，再到伺服傳動大幅應(yīng)用，其高精度定位與重復(fù)精度、高速響應(yīng)能力，使得機器能夠有更高的品質(zhì)，以及更為關(guān)鍵的靈活性-因為，很多機械的調(diào)校被“參數(shù)化”，僅需設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)會更快的實現(xiàn)換單能力。
大量的旋轉(zhuǎn)電機及直線電機，已經(jīng)廣泛融入到機器的控制中，針對點到點定位、電子齒輪同步、電子凸輪、多軸協(xié)同，在每個制造領(lǐng)域的機器上，都會看到他們?yōu)闄C器賦予的“靈活性”，通過簡單的參數(shù)設(shè)置，我們可以賦予機器更為靈活的能力。
今天，像貝加萊的ACOPOStrak、ACOPOS 6D的推出，其不斷的讓生產(chǎn)系統(tǒng)變得更為靈活，它也代表著自動化向機械-電氣更為深度的融合，解決了傳統(tǒng)機械的剛性為生產(chǎn)帶來的障礙，使得產(chǎn)線更容易“編排”方式實現(xiàn)“自適應(yīng)”制造能力，如圖5顯示了運動控制的演進過程，使得機器變得更為智能。
圖5-運動控制的演變
圖6-基于ACOPOStrak和機器人的自適應(yīng)產(chǎn)線規(guī)劃
ACOPOStrak/ACOPOS 6D代表著機器“不是一個人在戰(zhàn)斗”，而是由一個更為靈活的輸送系統(tǒng)來實現(xiàn)最佳的協(xié)同，并且改變了傳統(tǒng)產(chǎn)線的固定邏輯布局，為了固定產(chǎn)品的生產(chǎn)組織形式，變成為“個性化”產(chǎn)品進行“自由組織”的發(fā)展形式，如圖6所示ACOPOStrak的意義在于即時換型、性能提高、柔性與實現(xiàn)個性化制造能力，這是機器的智能體現(xiàn)，應(yīng)對變化。
機器智能--機器視覺
機器需要感知，反饋，所謂的“能觀能控”，視覺具有更為豐富的信息采集能力，它采集的圖像不僅可以用于計算對象的輪廓尺寸用于定位，也可以對中心進行計算，還可以識別缺陷等，較之以往的傳感器更豐富的感知能力，隨著電子技術(shù)發(fā)展，視覺更低成本使得其實用更為廣泛。
傳統(tǒng)視覺與自動化分屬兩個不同的行業(yè)，而今天，像貝加萊這樣的自動化廠商基于控制的全局思考，規(guī)劃視覺產(chǎn)品，推出集成機器視覺，它將視覺集成到自動化系統(tǒng)中，通過Automation Studio像I/O一樣編程，通過變量耦合實現(xiàn)視覺與運動控制、機器人的POWERlink網(wǎng)絡(luò)實時交互，高速同步，達到更高的集成能力，達到動態(tài)、實時的產(chǎn)線響應(yīng)，如圖7，貝加萊集成視覺將原來需要分別采購的獨立器件集成于一體，相機、鏡頭、處理單元、光源、通信集于一體，更高集成，更高協(xié)同。
圖7-集成機器視覺
圖8-機器視覺應(yīng)用場景
圖8則是機器視覺在工廠的場景應(yīng)用，包括缺陷檢測、識別、讀碼、測量等應(yīng)用，并與產(chǎn)線的控制、機器人協(xié)同工作，快速判斷缺陷，并提供的位置讓機器人去進行剔除廢品，或者調(diào)整加工協(xié)同位置，降低次品率。
機器智能—設(shè)備互聯(lián)
從智能開始發(fā)展，通信就扮演著非常重要的角色，因為，能觀測才能控制，信號的傳輸方式接線復(fù)雜、干擾問題帶來不便，使得現(xiàn)場總線得以發(fā)展，但網(wǎng)絡(luò)與通信層協(xié)議必須集成構(gòu)成了現(xiàn)場總線的三層架構(gòu)（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層），但是，機器已經(jīng)不再孤立的存在，而企業(yè)也不再像計劃經(jīng)濟那樣的封閉系統(tǒng)，而變成了與市場快速交互的組織。
通信從機器延伸到了產(chǎn)線，從產(chǎn)線延伸到車間，從車間到整個工廠，從工廠延伸到企業(yè)，從企業(yè)延伸到了整個產(chǎn)業(yè)鏈條的信息交互，這使得信息的多樣性、帶寬都提出了新的需求，這就需要重新基于新的形式構(gòu)建新的通信架構(gòu)。
圖9-基于OPC UA over TSN的工業(yè)互聯(lián)
OPC UA over TSN正在扮演這樣的角色，TSN旨在實現(xiàn)多業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)（周期和非周期、事件類、圖像、配置參數(shù)類）的同一網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免工廠復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)形成的數(shù)據(jù)透明性受阻現(xiàn)象，而OPC UA則旨在為多個不同語言的對象構(gòu)建一個統(tǒng)一的語義交互規(guī)范，讓來自不同國家、不同廠商的機器可以進行交互。
OPC UA over TSN將要支撐的場景包括幾個方面：
●協(xié)同制造：在機器與機器（M2M）間，跨控制系統(tǒng)之間的交互，可以提升協(xié)同能力，提升制造效率。
●數(shù)字孿生：在跨平臺的數(shù)字化設(shè)計、運營軟件間實現(xiàn)建模仿真數(shù)據(jù)的協(xié)同，使得數(shù)字系統(tǒng)可以與現(xiàn)場系統(tǒng)進行透明的交互。
●工業(yè)互聯(lián)：工業(yè)互聯(lián)必然需要一個統(tǒng)一架構(gòu)讓制造現(xiàn)場與數(shù)字化分析端應(yīng)用軟件間建立連接，以及邊緣計算側(cè)的各方形成跨平臺、實時交互。
圖10-貝加萊OPC UA over TSN覆蓋廣泛的產(chǎn)品組合
貝加萊一直是OPC UA over TSN的積極推動者，并推出自己在OPC UA over TSN領(lǐng)域的產(chǎn)品與技術(shù)，圖10所示，包括了TSN接口的控制器、TSN交換機、I/O站，以及對OPC UA Pub/Sub機制的支持，該機制使得設(shè)備可以一對多的方式與其它設(shè)備交互，并且，可以被云/邊平臺訂閱數(shù)據(jù)。
機器智能與機器學習
當缺乏機理模型，并且，系統(tǒng)處于非線性區(qū)、無法精準測量（技術(shù)或成本因素）的時候，我們需要更為高效的方法尋找“模型”，以提高生產(chǎn)的效率，隨著AI芯片、算法的成本不斷降低，在工業(yè)的廣泛應(yīng)用成為了可能，如圖11所示幾個領(lǐng)域，就成為了可能：
圖11-機器學習工業(yè)場景
（1）預(yù)測性維護：通過早期故障診斷，對機器的健康狀態(tài)的預(yù)測，可以實現(xiàn)降低產(chǎn)線的非計劃宕機、延長設(shè)備壽命，提高OEE的目標。
（2）視覺智能：視覺除了前面提到的采樣處理，對于一些場景如缺陷檢測、精準測量等可以通過機器學習來進行。
（3）控制策略：不僅對于本身的位置、速度、溫度控制，我們還可以通過更大的閉環(huán)，將影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的指標與這些控制參數(shù)之間形成相關(guān)性分析，來優(yōu)化控制系統(tǒng)的策略、工藝參數(shù)。
（4）最優(yōu)化：可以為系統(tǒng)獲得最優(yōu)的參數(shù)，例如成本最優(yōu)、時間最優(yōu)、材料最節(jié)省的路徑尋找。
圖12-貝加萊exOS讓更廣泛的智能應(yīng)用可以集成到機器與產(chǎn)線
在貝加萊基于Hypervisor虛擬機技術(shù)的工業(yè)PC可以在多核CPU中分別運行RTOS，而另一個核運行Windows/Linux可以處理AI的開發(fā)與推理任務(wù)，這樣，在原有的控制任務(wù)上就可以加載觀測器，對控制任務(wù)數(shù)據(jù)的采集分析，并推理，進而將決策信息發(fā)送給ROTS來執(zhí)行，實現(xiàn)動態(tài)的智能優(yōu)化，而在2020年貝加萊的exOS則實現(xiàn)了更為開放，如圖12，可以基于Python、PHP、Docker等進行應(yīng)用程序的開發(fā)，讓IT技術(shù)積累的AI應(yīng)用可以與工業(yè)裝備的實時控制融合，賦能機器智能。
機器智能與集成開發(fā)平臺
工欲善其事必先利其器，做一個智能系統(tǒng)的開發(fā)，必須有鋒利的工具，就像對一個人來說，發(fā)展的平臺很重要，這決定了效率，而智能的機器開發(fā)，就需要能夠提供高效的開發(fā)工具。
圖13-貝加萊集成開發(fā)環(huán)境Automation Studio
平臺需要能夠?qū)崿F(xiàn)智能：
●開發(fā)高級算法：無論對于智能算法如套色、張力、溫度、防搖等，都需要有開發(fā)能力，以及運行支撐；
●封裝工業(yè)Know-How：將已有的知識封裝為可復(fù)用的模塊；
●集成連接的對象：將不同的對象集成為一個機器的大腦與執(zhí)行機構(gòu)，并與第三方設(shè)備開放連接，與智能優(yōu)化系統(tǒng)連接，一切需要平臺有開放的支持能力，總線，OPC UA，軟件接口。
●與開放的智能結(jié)合，利用IT世界已有的智能算法應(yīng)用于工業(yè)場景。
●長期的知識積累：對于機器制造商而言，通過一個集成開發(fā)平臺，來實現(xiàn)長期的競爭力封裝，構(gòu)建高效的開發(fā)，實現(xiàn)高效創(chuàng)新。
貝加萊-機器智能專家
用一張圖來介紹貝加萊，就如圖14，借助于廣泛的硬件產(chǎn)品（控制、驅(qū)動、HMI、智能輸送系統(tǒng)），以及豐富的行業(yè)技術(shù)如mapp、實時通信、機器中心的機器人（MCR）、reACTION等，貝加萊通過數(shù)字化設(shè)計與集成開發(fā)平臺的工程（Engineering）來為行業(yè)帶來“個性化”的機器智能解決方案，形成用戶的差異化競爭力，以達到最終機器與產(chǎn)線的高品質(zhì)、低成本、快速交付個性化的成本。
圖14-機器智能專家
貝加萊，作為機器的智能專家，用機電工程專家為用戶帶來未來競爭中的勝出，獲得豐厚利潤回報。
約.見深圳工業(yè)展2021
貝加萊將出展深圳工業(yè)展2021，歡迎機器與產(chǎn)線領(lǐng)域的專家、工程技術(shù)、大學、行業(yè)組織同仁共聚探討機器的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，如何適應(yīng)快速變化的市場，并贏得先機。
期待您的到來！
關(guān)于貝加萊
貝加萊是一家總部位于奧地利并在全球擁有分公司的創(chuàng)新型自動化企業(yè)。2017年7月，貝加萊成為ABB集團的機械自動化事業(yè)部。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊將前沿技術(shù)與領(lǐng)先工程相結(jié)合，為幾乎每個行業(yè)的客戶提供面向機器與工廠自動化、運動控制、HMI和集成安全技術(shù)的完整解決方案。借助于OPC UA、POWERlink、openSAFETY等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準，以及強大的Automation Studio軟件開發(fā)平臺，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。受簡化流程和超出客戶預(yù)期的承諾驅(qū)動，貝加萊始終保持創(chuàng)新精神并處于工業(yè)自動化領(lǐng)域的前沿。
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